物理化学教学大纲

/物理化学教学大纲(四年制)郑州大学化学系一九九九年三月本大纲是根据一九八零年原教育部颁布的综合大学化学专业物理化学教学大纲，参照近年来国家教委召开的教学改革会议精神,结合郑州大学实际情况和我们自己的教学改革成果和经验，适应面向二十一世纪培养高素质人才的需要而拟定的。本大纲是经过化学专业本科生多年的教学实践--修改--再实践--再修改，并考虑面向二十一世纪物理化学教学和学科发展的需要而制定和完成的。物理化学学科组物理化学教学大纲物理化学是从物质的物理现象和化学现象的了解入手来探求化学变化基本规律的一门科学，在实验方法上主要是采用物理学中的方法。一、本科程的目的和任务物理化学作为化学专业的一门基础理论课程。通过本课程的学习，要求学生系统地掌握物理化学的基本原理和方法，并能用以分析和解决一些实际的问题。本课程的任务是介绍化学热力学、统计热力学、化学动力学、电化学和胶体化学的基本知识、原理和方法。通过课堂讲授、自习、演算习题和习题课等教学五1、进一步扩大知识面，打好专业基础。了解化学变化过程中的上些基本规律。加深对先行课如无机化学、有机化学、分析化学的理解，做到知识面要宽、基础要深。在基础物理化学课程中，重点在于掌握热力学处理问题的方法和化学动力学的基本知识，了解动力学的上些新进展。2、掌握物理化学基本的研究方法，熟悉物质的物理化学性质与化学反应规律之间的关系。3、进一步培养学生的独立工作能力，提高自学能力。掌握实验数据的处理及实验结果的分析和归纳方法，从而加深对物理化学基本理论和概念的理解，增强解决实际化学问题的能力。4、对学生进行实验工作的综合训练,使之具有基本的科研素质，培养其严谨的、实事求是的工作作风和科学态度。物理化学课的基本任务是：通过对热力学第一定律、第二定律、第三定律、统计热力学基础及相平衡和化学平衡、电化学、界面现象与胶体溶液、化学动力学等基本理论的学习，使学生初步掌握化学变化的方向与限度问题的解决，化学反应的速率和机理问题、物质结构和性能之间的关系。严格的、定量的实验研究物质的物理化学性质和化学反应规律，使学生既具有坚实的实验基础，又具有初步的研究能力，实现学生由学习知识、技能到进行科学研究的初步转变。为化学专业培养高素质的专门人才。二、本课程的基本要求1.本科程由课堂讲授和课外辅导两个教学环节组成。课堂讲授，以南京大学物理化学教研室傅献彩，沈文霞，姚天扬编著的《物理化学》为主要教材，要求完成不少于144个自然课时的授课，掌握重要的物理化学概念、基本定律和基本公式，熟悉处理各种物理化学问题的方法，并学会灵活运用所学知识处理实际化工生产工作中所遇到问题及实验数据的归纳和分析方法。课外辅导的目的，在于提高学生解决实际问题的能力，通过物理化学实验课程及参与教师科研课题的工作，使学生不但能解决课本上的问题而且能够通过在实际操作训练的基础上，能对物理化学知识有较系统的概括了解。2.教学内容的选取，包括热力学、电化学、动力学、表面现象和胶体、物质结构等部分，使学生了解物理化学的概貌。三、具体内容绪论物理化学的内容、方法。它在国民经济中的作用。如何学习物理化学课程。热力学第一定律及其应用本章基本要求热力学概论热力学的内容、方法、和局限性。体系与环境，平衡状态与状态函数，过程与途径。热量与功热量的定义，热容、热量的计算。功的定义，等温过程中功的计算。可逆过程的概念。热力学第一定律第一定律，内能，焓，等压热容与等容热容的关系，第一定律应用于理想气体体系（自由膨胀过程，等温过程，等压过程，等容过程，绝热过程）焦尔-汤姆逊效应热化学热化学反应方程式，等压反应热与等容反应热，盖斯定律，生成热，燃烧热，溶解热与稀释热，反应热与温度的关系。*反应热与压力的关系。{说明}：本章是本课程的重点之一。通过学习总的要求是通过对热力学第一定律的学习，了解热力学方法的特点，特别是要了解状态函炸毁、准静态过程和可逆过程的概念。其次是了解热力学第一定律的一些应用，如热化学和理想气体在几种过程中功和热量的计算等。具体要求如下：明确概念（如热力学温标，体系与环境，平衡状态，过程与途径，功与热量，内能，焓及标准生成热等）；学会方法（首先确定体系，始态及终态和过程，然后计算Q，W和状态函炸毁的增量。若是不好计算则根据状态函的增量只与始终态有关的原则可设计过程来计算）；会计算变化过程的热效应。了解热力学的一些基本概念、环境、状态、功、热量、变化过程等。明确热力学第一定律和内能的概念，明确热和功只在体系与环境有能量交换时才有意义。熟知功与热正负号的取号惯例。明确准静态过程与可逆过程的意义。明确U及H都是状态函数，以及状态函数的特性。较熟练地应用生成焓、燃烧焓来计算反应热。会应用赫斯定律和基尔霍夫定律。了解卡诺循环的意义及理想倔体在诸过程中热、功的计算。从微观角度了解热力学第一定律的本质。热力学第二定律引言第二定律的文字表述，可逆过程与不可逆过程，过程的方向性问题。熵熵的引出（可选用一种方法），第二定律的数学表达式，熵啬原理，变化方向的判断，熵变的计算，熵的统计意义，热力学第三定律。第三节，亥姆霍兹自由能（F）和吉布斯自由能（G）等温（等温等容）条件下判断变化方向的公式，亥姆霍兹自由能（F）。等温等压条件下判断变化方向的公式，吉布斯自由能（G）。热力学基本关系式和G的计算基本关系式，麦克斯威尔关系式，自由能与温度压力的关系，G在各种变化中的计算。第五节：化学位（）偏摩尔量，化学位（定义，性质）化学位的公式理想气体化学位公式，实际气体的化学位公式，溶液中组分的化学位公式-活度，标准态的概念及其选择。化学位的应用：化学位与温度，压力的关系（依数性质的讨论），活度的测定。[说明]：本章也为重点部分，要求达到下列几点：明确热力学第二定律的意义，注意变化过程的方向性问题，熵的引出可以选用不同讲法，但应注意内容的科学性。了解自发变化的共同性质。了解热力学第二定律与卡诺循环定理的了解。理解克劳修斯不等式的重要性。注意在导出熵函数的过程中，公式推导的逻辑推理。熟记热力学函数U、H、S、F、G的定义。了解其物理意义。明确G在特殊条件下的物理意义，如何利用它来判别变化的方向和平衡条件。较熟练地计算一些简单过程中的S，H和G，以及如何利用范霍夫等温式来判别化学变化的方向。较熟练地运用吉布斯--亥姆霍兹公式、克拉贝内龙和克劳修斯-克拉贝龙方程式。了解熵的统计意义。明确偏摩尔量和化学势的意义，了解它们之间的区别。为什么在处理多组分总是时，这两个概念很重要。了解热力学第三定律的内容，明确规定熵值的意义、计算及其应用。初步了解不可逆过程热力学关于熵流和熵产生等基本内容。统计热力学基础本章基本要求在这一章中我们介绍了玻兹曼分布，从最概然颁分布引出配分函数的概念。从配分函数可以求得热力学函数。对定位与非定位两种体系，重点侧重于非定位体系。本章中公式较多，只需理解其推演过程，对重要的公式应有知道其应用。具体要求：了解什么是最概然分布。为什么可以用最概然分布的微观状态数来代替整个体系的微观状态数。何谓配分函数，它有什么物理意义。定位体系与非定位体系的热力学函数有什么差别。了解平动、转动、振动对热力学函数的贡献，了解公式的推导过程。了解什么是玻色-爱因斯坦统计和费米-狄拉克统计。溶液-多组分体系热力学在溶液中的应用本章基本要求这一章主要讲溶液的热力学（即热力学第一、第二定律在多组分体系中的一些应用）引入了理想溶液、活度、逸度、标准态、超额函数等概念，介绍了理想溶液、非理想溶液中任一组分的化学势的表示法。这些表示法在处理溶液中的问题（相平衡和化学平衡）时很有用。例如通过对稀溶液依数性质公式的推导，可了解用化学势来处理溶液问题的基本方法。此外还介绍了两个经验规律（拉乌尔定律和亨利定律，这两个定律既有相同之处又有不同之处）和两公式（吉布斯-杜亥姆公式和杜亥姆-马居耳公式，前者表示偏摩尔量之间的了解，后者表示溶液中各组分的分压与浓度之间的了解。）学习本章的具体要求是：熟悉溶液浓度的的各种表示法及其相互关系。什么是理想溶液，理想溶液有那些通用性。了解拉乌尔定律和享利定律的区别。了解逸度和活度的概念，如何利用牛顿图求气体逸度数。如何表示溶液中各组分的化学势，各组分的标准态有什么不同，了解从微观角度讨论溶液形成时一些热力学函的变化。了解稀溶液依数性公式的推导，以及分配定律公式的推导，了解热力学处理溶液问题的一般方法。相平衡本章基本要求了解相，组分数和自由度的意义。了解相律的推导过程及其在相图中的应用。了解杠杆规则在相图中的应用。根据相图能绘出步冷曲线，或者根据步冷曲线能绘制简单的相图。在双液系中以完全互溶的双液系为重点了解其P-X图和T-X图，了解蒸馏和精馏和基本原理。在二组分液-固体系中，以简单低共熔物的相图为重点，了解相图的绘制及其应用。对三组分体系，了解水盐体系相图的应用。了解相图在萃取过程中应用。化学平衡本章基本要求在本章中根据热力学的平衡条件导出化学反应等温式和平衡常数的表示式。前者用以判别化学反应的方向，后者则反应达平衡时反应体系中各物质的活度（浓度）之间的关系。根据平衡常数就能求出在给定条件下反应所能达到的程度。然后又讲座了各种因素对化学平衡的影响。重点在于计算平衡组成。具体要求是：了解如何从平衡条件导出化学反应等温式。如何使用这个公式。均相和多相反应的平衡常数表示式有什么不同。理解Gm的意义，如何由Gm估计反应的可能性。熟悉Kp，kPkX和Kc间的关系。了解平衡常数与温度，压力的关系和惰性气体对平衡组成的影响，并掌握其计算方法。能根据标准热力学函数的表值计算平衡常数。了解对同时平衡，反应耦合，挖计算等的处理方法。初步了解生物能力学的基本内容。电解质溶液本章基本要求了解迁移数意义及常用的测定迁移数的方法。明确电导率，摩尔电导率的意义及它们与溶液浓度的关系。熟悉离子独立移动定律及电导测定的一些应用。了解迁移数与摩尔电导，离子迁移率之间的关系。弄清楚电解质的离子平均活度系数的意义及其计算方法。了解强电解质溶液理论（主要是离子氛的概念），并会使用德拜-休克尔极限公式。可逆电池的动势及其应用本章基本要求明确电动势与Gm关系。熟悉电极电势的一套符号惯例，大致知道在教科书上或文献上还有哪些惯例。熟悉标准电极电势表的应用（包括氧化能力的估计，平衡常数的计算等）。对于所给的电池能熟练，正确地写出电极反应和电池反应并能计算其电动势。能根据简单的化学反应来设计电池。明确温度对电动势的影响及了解rHmrSm的计算。了解电动势产生的机理及电动势测定法的一些应用。电解与极化作用本章基本要求本章主要介绍了通电使体系发生化学变化即电解作用中的一些规律，对于在有电流通过电极时所发生的极化作用的原因也作了介绍。具体要求如下：了解分解电压的意义。了解产生极化作用的原因。了解超电势在电解中的作用。能计算一些简单的电解分离问题。了解金属腐蚀的原因和各种防腐的方法。了解化学电源的类型及应用。化学动力学基础（一）本章基本要求掌握等容反应速率的表示法及基元反应，反应级数等基本概念。对于有简单级数的反应如零级，一级，二级反应，要掌握其速率公式的各种特征并能够由实验数据确定简单反应的级数，对三级反应有一般了解。对三种典型的复杂反应（对峙反应，平等反应和连续反应）要掌握其各自的特点并能对其中比较简单的反应能写出反应速率与浓度关系的微分式。明确温度，活化能对反应速率的影响，理解阿仑尼乌斯经验式中各项的含意，计算Ea，A，k等物理量。掌握链反应的特点，会应用稳态近似，平衡假设等近似处理的方法。化学动力学基础（二）本章基本要求了解化学反应动力学的碰撞，过渡态和单分子反应理论的基本内容，会计算一些简单基元反应的速率常数，并弄清几个能量的不同物理意义及相互关系。了解分子反应动力学的常用实验方法和该研究在理论上的意义。了解溶液中反应的特点和溶剂对反应的影响。了解快速反应所常用的测试方法及弛豫时间。了解光化学反应的特点及量子产率的计算。了解催化反应的特点和觉的催化反应的类型。界面现象本章基本要求明确表面吉布勘探自由能，表面张力的概念，了解表面张力与温度的关系。明确弯曲表面的附加压力产生的原因及与曲率半径的关系，学会使用杨-拉普拉斯公式。了解弯曲表面上的蒸气压与平面相比有何不同，学会使用Kelvin公式，会用这个基本原理来解释人工降雨，毛细凝聚等等觉的表面现象。理解吉布斯吸驸等温式的表示形式，各项的物理意义并能应用及作简单计算。理解什么叫表面活性物质，了解它在表面上作定向排列及降低表面吉布斯自由能的情况，民工表面活性剂的大致分类及它的几种重要作用。了解液-液，液-固界面的铺展与润湿情况，理解气-固表面的吸附本质及吸附等温线的主要类型，能解释简单的表面反应动力学，为何在不同的压力下有不同的反应级数。胶体分散体系和大分子溶液本章基本要求了解胶体分散体系的超微不均匀性以及由此产生的胶体分散体系的动力性质，光学性质及电学性质等方面的特点，并庆对胶体分散体系和稳定性作重点了解。本章还介绍了大分子体系的一些特点及相对分子质量的测量方法等，具体要求如下：了解胶